CN101867148A - 带有光子晶体反射面和垂直出射面的fp腔激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带有光子晶体反射面和垂直出射面的FP腔激光器,该激光器包括:带有有源区的FP腔结构、位于该FP腔结构高反射端的反射面,以及位于该FP腔结构出射端的反射面。该激光器具有超短的带有有源区的FP腔结构,该FP腔两端的反射面分别由两片光子晶体区域组成,一片区域为宽禁带光子晶体,另一片区域为形成带边模式的光子晶体。利用本发明,能够实现超短长度的电注入FP腔激光器,并使其在垂直方向出射激光。

Description

带有光子晶体反射面和垂直出射面的FP腔激光器
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件技术领域,尤其涉及一种带有光子晶体反射面和垂直出射面的FP腔激光器。
背景技术
光子晶体是一种介电常数周期性变化的新型光学材料。它独有的“光子带隙”(PBG)使其在激光器的应用中有着特殊的地位,它能抑制自发辐射产生频率处于带隙中的光子的几率。当光子晶体中加入某种缺陷后,带隙中有可能出现频宽很窄的缺陷态,这样自发辐射产生频率处于缺陷态的光子的几率不受抑制,而该频率附近的自发辐射也有向该频率转化的几率,这相当于缺陷态的自发辐射被增强了。通过对光子晶体的设计,可以将激光器的激射频率设定在缺陷态频率,这样能大大提高激光器的自发辐射因子。
随着研究的深入与应用需求的多样化,面发射光子晶体激光器越来越多的受到人们的关注,其中有一种带边面发射光子晶体激光器是利用光子在对称点带边的慢光效应,这样满足了Bragg衍射条件,由于第二序的Gamma点衍射效应,在整个光子晶体区域产生驻波,又因为第一序的Gamma点衍射效应,在垂直于光子晶体平面方向也能发射衍射光。在Bragg条件的限制下,该垂直方向衍射光的性质在光子晶体的驻波区域内处处相同,这样就能得到大面积面发射激光。这种带边面发射光子晶体激光器较容易做成光泵浦激光器,但这样会因为光电转换效率低和散热困难等问题难以做到大功率输出和室温连续激射,且不易于芯片集成;而直接在光子晶体上生长电极来做电注入激光器的方法难以同时做到载流子的均匀注入而不阻挡激光的面发射。如Noda小组制作的该类型的激光器“M.Imada,S.Noda,A.Chutinan,T.Tokuda,M.Murata and G.Sasaki,“Coherent two-dimensional lasing action in surface-emitting laser with triangular-lattice photonic crystal structure,”Appl.Phys.Lett.,vol.75,pp.316,July 1999”,以及他们后续的该系列激光器,均是在光子晶体上方的覆盖层上制作电极,对激光器的性能有一定的影响。
法布里-珀罗激光器(FP-LD)是目前最普通的半导体激光器,它结构简单,工艺成熟,普遍应用于光纤通信技术。FP-LD中存在三个方向的模式:沿激光器输出方向的驻波模为纵模,垂直于有源层方向的为垂直横模,平行于有源层并和输出方向垂直的模式为水平横模。在光通信领域中,至少要求激光器工作在基横模状态。对于FP-LD来说,基横模较容易通过控制激光器有源层的厚度和条宽来实现,常用的结构有掩埋异质结、脊波导等。而纵模控制有一定的困难,FP-LD的长度在数百微米的量级,对应的纵模间距为1nm量级,当有源材料增益谱宽度达100nm的量级时,多纵模激射的可能性相当大。对于一般的FP-LD,当注入电流在阈值电流附近时,可以观察到多个纵模;进一步加大注入电流,由于模式竞争,有可能形成单纵模工作;当对FP-LD进行高速调制时,原有的激射模式就会发生变化,出现多模工作。因此FP-LD不能应用于高速光纤通信系统。除了结构和制作工艺简单、成本低外,FP-LD容易与其他器件集成于衬底上,作为其他器件的光源,且电注入的泵浦方式使整个集成的器件易于实际应用。
如果将光子晶体激光器与FP激光器集成为一个器件,就有可能实现电注入且受到光子晶体调控的激光器。近年来,已有一些研究组进行了这方面的研究,如国立交通大学的Shih-Chieh Huang研究组在“S.C.Huang,T.H.Yang,C.P.Lee,S.D.Lin,“Electrically driven integrated photonic crystal nanocavity coupled surface emitting laser,”Appl.Phys.Lett.,vol.90,pp.151121,April 2007”中报道了将FP激光器与缺陷腔光子晶体激光器集成的器件,并得到了很好的实验结果。
由此可以确定,将带边面发射光子晶体激光器与FP激光器集成为一个器件,具有电注入和带边面发射等特性,是很有价值且实际可行的设计方案。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此,本发明的主要目的在于提供一种带有光子晶体反射面和垂直出射面的FP腔激光器,以解决FP腔、反射区光子晶体和垂直出射区光子晶体的设计与制作问题,达到实现电注入FP腔谐振激射并在光子晶体的调制下从垂直方向出射的目的。
(二)技术方案
为达到上述目的,本发明提供了一种带有光子晶体反射面和垂直出射面的FP腔激光器,该激光器包括:
带有有源区的FP腔结构;
位于该FP腔结构高反射端的反射面;以及
位于该FP腔结构出射端的反射面。
上述方案中,所述FP腔结构的长度为10微米,采用AlGaInAs/InP多量子阱材料作为有源区。
上述方案中,所述位于该FP腔结构高反射端的反射面由宽禁带光子晶体区域组成,且激射波长在禁带内,反射率高于具有带边慢光模式的光子晶体。
上述方案中,所述宽禁带光子晶体区域采用有源材料,或者采用无源的InP材料,其中有源材料包含GaAs材料系、GaN材料系或GaSb材料系。
上述方案中,所述该FP腔结构出射端的反射面由具有带边慢光模式的光子晶体区域组成,反射率低于宽禁带光子晶体。
上述方案中,所述FP腔结构中产生的激光进入该具有带边慢光模式的光子晶体区域形成带边慢光模式,从而在垂直方向上出射。
上述方案中,所述具有带边慢光模式的光子晶体区域采用宽禁带光子晶体结构来包围。
上述方案中,所述具有带边慢光模式的光子晶体区域采用有源材料,或者采用无源的InP材料,其中有源材料包含GaAs材料系、GaN材料系或GaSb材料系。
上述方案中,该激光器采用电注入输入模式,电极制作在FP腔结构所在区域内。
上述方案中,该激光器的工作波长在1.55微米的红外波段附近。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出,本发明具有以下有益效果:
1、本发明提供的FP腔光子晶体面发射激光器,由于FP腔长度非常短,仅为10微米左右,其阈值会比较低,斜率效率即外量子效率将会较高,从而使该FP腔激光器性能优于普通FP激光器。
2、本发明提供的FP腔光子晶体面发射激光器,由于FP腔一端(即高反射端)的反射面由宽禁带光子晶体组成,且激射波长在禁带内,反射率高。而且因为是宽禁带光子晶体,若想对工作波长做一些调整,只要不超出禁带范围,都可以沿用该光子晶体结构。
3、本发明提供的FP腔光子晶体面发射激光器,由于FP腔另一端(即出射端)的反射面由具有带边慢光模式的光子晶体组成,利用慢光模式对光波的弱反射效应,反射率低于宽禁带光子晶体,使该端作为FP腔的出射端。FP腔中产生的激光进入该区域形成带边慢光模式,在整个光子晶体区域形成谐振,从而在垂直方向上出射。
4、本发明提供的FP腔光子晶体面发射激光器,由于具有带边慢光模式的光子晶体结构可以用宽禁带光子晶体结构包围,从而进一步减少板平面内的损耗。
5、本发明提供的FP腔光子晶体面发射激光器,由于FP腔区域采用AlGaInAs/InP多量子阱材料作为有源区,两片光子晶体区域可以采用有源材料,以增大对载流子的利用率,或采用无源的InP材料,以减少对激射光光子的吸收,从而降低损耗。其中有源区的材料还可包含GaAs材料系、GaN材料系、GaSb材料系,原则上含盖所有的波导结构半导体激光器的材料。
6、本发明提供的FP腔光子晶体面发射激光器,由于该激光器采用电注入输入模式,电极制作在FP腔区域内,将激射区与垂直面发射区分离,避免了像垂直面发射光子晶体激光器那样需要在光子晶体区域上制作电极的技术难题,大大降低了工艺难度。
附图说明
图1为本发明提供的FP腔光子晶体面发射激光器的结构俯视示意图;
图2为本发明提供的FP腔光子晶体面发射激光器的作为FP腔反射镜光子晶体的光子带结构图;
图3为本发明提供的FP腔光子晶体面发射激光器的作为FP腔输出端反射镜即垂直面发射端光子晶体的光子带结构图,右上插图为垂直方向Bragg衍射示意图;
图4为本发明提供的FP腔光子晶体面发射激光器结构用有限时域差分(FDTD)方法模拟的结果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明进一步详细说明。
如图1所示,图1为本发明提供的FP腔光子晶体面发射激光器的结构俯视示意图,该激光器包括带有有源区的FP腔结构、位于该FP腔结构高反射端的反射面和位于该FP腔结构出射端的反射面。该FP腔两端(即高反射端和出射端)的反射面分别由两片光子晶体区域组成,一片区域为宽禁带光子晶体,另一片区域为形成带边模式的光子晶体。
激光器中FP腔长度非常短,仅为10微米左右,采用AlGaInAs/InP多量子阱材料作为有源区。
激光器中FP腔一端(即高反射端)的反射面由宽禁带光子晶体组成,且激射波长在禁带内,反射率高于具有带边慢光模式的光子晶体。该宽禁带光子晶体区域采用有源材料,或者采用无源的InP材料,其中有源材料可包含GaAs材料系、GaN材料系或GaSb材料系,原则上含盖所有的波导结构半导体激光器的材料。
激光器中FP腔另一端(即出射端)的反射面由具有带边慢光模式的光子晶体组成,反射率低于宽禁带光子晶体。FP腔中产生的激光进入该区域形成带边慢光模式,从而在垂直方向上出射。该具有带边慢光模式的光子晶体区域采用宽禁带光子晶体结构来包围,且该具有带边慢光模式的光子晶体区域采用有源材料,或者采用无源的InP材料,其中有源材料可包含GaAs材料系、GaN材料系或GaSb材料系,原则上含盖所有的波导结构半导体激光器的材料。
该激光器采用电注入输入模式,电极制作在FP腔区域内。激光器的工作波长在1.55微米的红外波段附近。
如图2所示,为本发明提供的FP腔光子晶体面发射激光器的作为FP腔反射镜光子晶体的光子带结构图。此图是用平面波展开(PWE)方法扫描参数三角晶格板结构光子晶体后得到的一个结构的光子带结构图,可以看到经过光锥的限制后,光子禁带从1313到1783nm,激光器的工作波长1550nm在该禁带的中心区域,所以此结构可以很好的作为FP腔的反射镜。
如图3所示,为本发明提供的FP腔光子晶体面发射激光器的作为FP腔输出端反射镜即垂直面发射端光子晶体的光子带结构图。此光子带结构图由PWE方法计算四方晶格板结构光子晶体得到,本激光器利用的是Gamma对称点第二序的带边模式,由图中黄色圆圈标出。该带边模式处光子群速度接近于0,局域效应很强,态密度很大,在平面内有两个Gamma-X方向的谐振,是基于第二序衍射,使板平面内形成大面积二维驻波;在垂直于板方向有一个谐振,是基于第一序衍射,使激射光在垂直方向上出射。波矢Bragg衍射关系见右上插图。
如图4所示,为本发明提供的FP腔光子晶体面发射激光器结构用FDTD方法模拟的结果。用磁场强度H来表示模式,是因为所用的压应变多量子阱材料产生的是TE模式,电场矢量分布在平面内,磁场矢量垂直于平面,所以磁场强度可以更明显的示意模式分布。从图中可见,左边反射镜光子晶体部分能够很好的限制光传播,中间FP腔中产生了驻波谐振,右边光子晶体利用慢光效应作为FP腔另一个反射镜起到了相应的作用,且其中心区域形成了明显的带边慢光模式,可以在垂直方向出射。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带有光子晶体反射面和垂直出射面的FP腔激光器,其特征在于,该激光器包括:
带有有源区的FP腔结构;
位于该FP腔结构高反射端的反射面;以及
位于该FP腔结构出射端的反射面。
2.根据权利要求1所述的带有光子晶体反射面和垂直出射面的FP腔激光器,其特征在于,所述FP腔结构的长度为10微米,采用AlGaInAs/InP多量子阱材料作为有源区。
3.根据权利要求1所述的带有光子晶体反射面和垂直出射面的FP腔激光器,其特征在于,所述位于该FP腔结构高反射端的反射面由宽禁带光子晶体区域组成,且激射波长在禁带内,反射率高于具有带边慢光模式的光子晶体。
4.根据权利要求3所述的带有光子晶体反射面和垂直出射面的FP腔激光器,其特征在于,所述宽禁带光子晶体区域采用有源材料,或者采用无源的InP材料,其中有源材料包含GaAs材料系、GaN材料系或GaSb材料系。
5.根据权利要求1所述的带有光子晶体反射面和垂直出射面的FP腔激光器,其特征在于,所述该FP腔结构出射端的反射面由具有带边慢光模式的光子晶体区域组成,反射率低于宽禁带光子晶体。
6.根据权利要求5所述的带有光子晶体反射面和垂直出射面的FP腔激光器,其特征在于,所述FP腔结构中产生的激光进入该具有带边慢光模式的光子晶体区域形成带边慢光模式,从而在垂直方向上出射。
7.根据权利要求5所述的带有光子晶体反射面和垂直出射面的FP腔激光器,其特征在于,所述具有带边慢光模式的光子晶体区域采用宽禁带光子晶体结构来包围。
8.根据权利要求5所述的带有光子晶体反射面和垂直出射面的FP腔激光器,其特征在于,所述具有带边慢光模式的光子晶体区域采用有源材料,或者采用无源的InP材料,其中有源材料包含GaAs材料系、GaN材料系或GaSb材料系。
9.根据权利要求1所述的带有光子晶体反射面和垂直出射面的FP腔激光器,其特征在于,该激光器采用电注入输入模式,电极制作在FP腔结构所在区域内。
10.根据权利要求1所述的带有光子晶体反射面和垂直出射面的FP腔激光器,其特征在于,该激光器的工作波长在1.55微米的红外波段附近。
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